專利名稱：熱浸涂裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用含有鋁的涂層合金連續(xù)地?zé)峤夸搸А８唧w地，本發(fā)明涉及用于實(shí)現(xiàn)該涂布工藝的裝置的浴內(nèi)組件(in-bath component)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)上，鋼帶涂布有鋅，并因此稱為鍍鋅鋼。鋁-鋅合金涂層已經(jīng)取代鋅涂層很長(zhǎng)時(shí)間。該合金涂層保留了由鋅提供的犧牲陽極保護(hù)(sacrificialprotection)，并通過鋁的耐腐蝕性得以增強(qiáng)。典型的涂層合金名義上含有45％的鋅和55％的鋁。
為實(shí)現(xiàn)熱浸涂工藝，將鋼帶從敞口拔頂浴(open topped bath)內(nèi)的熔融涂層合金池中拉過。為控制鋼帶進(jìn)出合金(根據(jù)慣用術(shù)語下文稱該合金為熔池金屬(bath metal)池的通行，使鋼帶從浸沒在熔池金屬中的導(dǎo)輥(sink roll)下通過。
通常，導(dǎo)輥及其浸沒的支承結(jié)構(gòu)由耐腐蝕合金鋼(如可購買的指定級(jí)的316L不銹鋼)制成。即使如此，浸沒組件的使用壽命也比較短，這是因?yàn)槿鄢亟饘俚母g作用以及金屬間沉積物(intermetallic)的堆積造成的，該金屬間沉積物的堆積是由組件與熔池金屬之間的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的。
附圖的現(xiàn)有技術(shù)圖1和2示出了使用316L不銹鋼導(dǎo)致的結(jié)果。
圖1是316L不銹鋼導(dǎo)輥51的部分微觀結(jié)構(gòu)50的示意圖。它顯示了熔池金屬52與金屬間化合物53的混合物在正常合金層54表面的沉積物，該沉積物包含鐵、鉻、鎳和鋁，且在導(dǎo)輥浸入熔池金屬時(shí)形成。
圖1還顯示存在α-相晶界(grain boundary)沉淀物55。316L不銹鋼51和大多數(shù)其它不銹鋼隨著浸入時(shí)間延長(zhǎng)都容易形成α-相沉淀物，這使得鋼變得硬而脆。此外，α-相沉淀物富含鉻和鉬，因此其生長(zhǎng)導(dǎo)致在α-相沉淀物周圍的晶粒中這些元素減少。晶粒中總的鉻和鉬的減少和微裂紋的存在一起導(dǎo)致鋼暴露在熔融的熔池金屬52中時(shí)溶解速率高。該溶解表現(xiàn)為浸入組件的點(diǎn)蝕(pitting)和其它腐蝕。
由于金屬間化合物53的沉積對(duì)成品質(zhì)量具有有害影響，所以必須時(shí)常清理導(dǎo)輥除去沉淀物。該清理工藝昂貴，需要中斷涂布操作，移去并置換導(dǎo)輥。
現(xiàn)有技術(shù)圖2示出了嚴(yán)重點(diǎn)蝕的導(dǎo)輥支承臂，該支承臂由316L不銹鋼制成。由于導(dǎo)輥接觸涂布的鋼帶，涂層質(zhì)量取決于導(dǎo)輥的平滑程度，因此在其達(dá)到圖2顯示的臂的狀態(tài)前的較長(zhǎng)一段時(shí)間，導(dǎo)輥當(dāng)然不得不停止使用。
為克服上述不足，已提出了將導(dǎo)輥進(jìn)行氮化處理(nitriding process)。氮化是形成氮化組件表面薄層的常規(guī)方法，包括將組件長(zhǎng)時(shí)間保持在具有氨氣氣氛的爐內(nèi)。
經(jīng)過氮化處理后的導(dǎo)輥浸入熔池金屬中時(shí)，氮與熔池金屬中的鋁反應(yīng)，因此除了在其外表面形成合金層以外，還形成一層氮化鋁。該氮化鋁層是穩(wěn)定的，在組件上起保護(hù)性的附著表面層的作用。
現(xiàn)有技術(shù)圖3是與圖1相似的關(guān)于氮化316L不銹鋼導(dǎo)輥的視圖，該圖不僅示出了圖1的全部特征，而且還示出了具有氮化鋁表面層的氮化層56，該層位于熔池金屬52和金屬間化合物53的混合物與正常合金層54之間，在導(dǎo)輥浸入熔池金屬中時(shí)形成。應(yīng)注意的是，圖3還示出了在微觀結(jié)構(gòu)中存在α-相沉淀物55。
氮化的有益之處在于穩(wěn)定的氮化鋁層使得金屬間化合物較少附著在輥上。這便于將其刮掉，并延長(zhǎng)導(dǎo)輥的清理周期。氮化鋁層還起保護(hù)層的作用，防止組件的點(diǎn)蝕或腐蝕。氮化處理的不足之處是費(fèi)用昂貴、完成它需要熟練的技能，并且得到成品組件需要等待較長(zhǎng)的時(shí)間。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)第一方面，本發(fā)明涉及用于涂布鋼帶的熱浸涂裝置，其中將鋼帶浸入含有鋁的涂層合金浴中，該裝置包含至少一個(gè)在使用時(shí)有表面與浴接觸的組件，其中組件由不銹鋼制成，該不銹鋼包含大體上均勻地分布在其微觀結(jié)構(gòu)中的數(shù)量可觀的氮。
在本發(fā)明的該方面中應(yīng)用的不銹鋼不同于現(xiàn)有技術(shù)之處在于，氮是作為一種合金添加劑存在于不銹鋼中，而非作為氮化處理部分引入的。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)這種高氮不銹鋼在浸入熔池金屬中時(shí)表現(xiàn)出改進(jìn)的耐腐蝕性。
當(dāng)按照本發(fā)明制造組件時(shí)，可以在熱浸涂裝置中直接應(yīng)用它們，而不需要任何預(yù)處理，如氮化工藝。另外，當(dāng)?shù)植荚谡麄€(gè)不銹鋼的微觀結(jié)構(gòu)中時(shí)，它不依賴于組件外表面層的完整性，因此認(rèn)為它比現(xiàn)有技術(shù)體系強(qiáng)。
在一種形式中，不銹鋼包含0.10wt％以上的氮。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)氮的濃度大于0.10wt％表現(xiàn)出改進(jìn)的性能(為本發(fā)明的特征)?？梢再徺I含氮量如上所述的奧氏體(Austenitic)不銹鋼，如由鋼商指定的316LN。
在一種形式中，整個(gè)組件可以由含有可觀數(shù)量的氮的不銹鋼制成。在另一種形式中，組件可以制成帶有含氮不銹鋼(用作組件的外層)的復(fù)合結(jié)構(gòu)。在該實(shí)例中，組件可以包含另外的內(nèi)層。該另外的內(nèi)層可以由任何合適的材料制成，如常規(guī)的不銹鋼316L。在組件使用高氮不銹鋼作為保護(hù)涂層時(shí)可以應(yīng)用本發(fā)明的后一種形式。這種方案可以在組件換襯里時(shí)應(yīng)用，或者應(yīng)用于通過使用不太昂貴的材料作為組件的內(nèi)芯(inner core)來降低成本的地方。
在另一方面，本發(fā)明涉及涂布鋼帶用的熱浸涂裝置，其中將鋼帶浸入含有鋁的涂層合金浴中，該裝置包含至少一個(gè)在使用時(shí)有表面與浴接觸的組件，其中組件包含至少一個(gè)由不銹鋼制成的層，該不銹鋼的整個(gè)微觀結(jié)構(gòu)中均勻地分布了數(shù)量可觀的氮。
在一種形式中，組件還包含另外的層，其中含氮的不銹鋼層置于表面與該另外的層之間。
在一具體實(shí)施方案中，該組件是其下通過金屬帶的導(dǎo)輥。
在另一方面，本發(fā)明涉及一種熱浸涂裝置組件的制造方法，該熱浸涂裝置用于將片狀金屬帶浸入到含有鋁的涂層合金浴中，其中組件至少部分由含有數(shù)量可觀的氮的不銹鋼制成，氮?dú)庠诓讳P鋼處于熔融態(tài)時(shí)溶解在其中，以便充分地分布在其微觀結(jié)構(gòu)中。
在另一方面，本發(fā)明涉及一種涂布鋼帶的方法，其中將鋼帶浸入含鋁的涂層合金浴中，該方法包括將鋼帶通過浸入在浴中的組件的步驟，其中組件由不銹鋼制成，該不銹鋼含有大體上均勻地分布在其微觀結(jié)構(gòu)中的數(shù)量可觀的氮。


在下文參照附圖描述本發(fā)明的具體方案是很方便的。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到這些圖的具體形式和相關(guān)的描述是用于理解的而不能代替本發(fā)明主要描述的通用性。
圖中圖1是由316L不銹鋼制成的導(dǎo)輥的微觀結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是由316L不銹鋼制成的嚴(yán)重點(diǎn)蝕的導(dǎo)輥支承臂的照片；圖3是由氮化316L不銹鋼制成的導(dǎo)輥的微觀結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是熱浸涂裝置的示意圖；圖5是由高氮不銹鋼制成的導(dǎo)輥的微觀結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是由316L不銹鋼和高氮不銹鋼制成的導(dǎo)輥的微觀結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是由316LN不銹鋼制成的樣品經(jīng)過1、3和4個(gè)月浸入后的表面外觀照片；以及圖8是樣品浸入2周、1、3和4個(gè)月的合金層生長(zhǎng)的曲線圖(parabolicplot)。
具體實(shí)施例方式
圖4是熱浸涂裝置10的示意圖。該浸涂裝置包括容器11，它含有熔融涂層合金(熔池金屬)池12。容器11是敞口拔頂?shù)?，且布置用來接收從熔池金?2拉過來的鋼帶100。為控制帶100進(jìn)出熔池金屬12的通行，使該帶通過一個(gè)導(dǎo)口(snout)13，接著在浸入熔池金屬中的導(dǎo)輥14下通過，然后在離開熔池金屬之前通過穩(wěn)定輥(stabilising roll)15。
為提高熱浸涂裝置10的耐腐蝕性，至少有些浴組件，尤其是導(dǎo)輥14，由高氮不銹鋼制成。其它組件如穩(wěn)定輥15、導(dǎo)口13或者支承臂和導(dǎo)輥14的軸承或者穩(wěn)定輥15也可由高氮不銹鋼制成。氮作為合金添加劑在不銹鋼處于熔融態(tài)時(shí)結(jié)合在其中，從而大體均勻地分布在其微觀結(jié)構(gòu)中。
圖5是裝置10的組件(通常是導(dǎo)輥14)的部分微觀結(jié)構(gòu)20的示意圖。該組件由延伸到外表面21的高氮不銹鋼制成，該外表面在使用時(shí)暴露在熔池金屬12中。
圖6示出了另一種方案，其中組件由復(fù)合結(jié)構(gòu)制成。圖6是組件的部分微觀結(jié)構(gòu)22的示意圖，其中內(nèi)層23由常規(guī)的不銹鋼如316L制成，且包含最外表面層25的外層24由高氮不銹鋼制成。
下述實(shí)施例說明了使用高氮不銹鋼，耐腐蝕性得到改進(jìn)。
實(shí)施例在55％AL-ZN合金浴中進(jìn)行316LN不銹鋼合金樣品的浸入測(cè)試。該測(cè)試進(jìn)行了4個(gè)月，樣品在浸入2周、1、3和4個(gè)月后從浴中取出。
316LN合金是含氮奧氏體不銹鋼，其成分如下

圖5是在連續(xù)浸入金屬浴中1、3和4個(gè)月之后316LN浸入樣品30，31和32的表面外觀照片。目測(cè)檢查顯示樣品沒有腐蝕、或局部點(diǎn)蝕，或樣品邊緣變薄的跡象。另外，樣品表面沒有刺狀(spike)或者角狀生長(zhǎng)(即浸入容器的傳動(dòng)裝置表面上的圓錐形合金破裂(outbreak))的跡象。刺狀生長(zhǎng)與容器傳動(dòng)裝置的微觀結(jié)構(gòu)中存在α-相有關(guān)。
浸入樣品還和熔池金屬反應(yīng)并形成合金層，該合金層的成分與316L中發(fā)現(xiàn)的類似。圖6顯示合金生長(zhǎng)是浸入時(shí)間平方根的函數(shù)。該圖表明合金生長(zhǎng)速率是擴(kuò)散控制的。
因此，高氮不銹鋼的使用表明，與常規(guī)的316L不銹鋼相比性能得到提高，該高氮不銹鋼中氮是被引入到熔體中的(不同于氮化處理)。盡管目前為止的測(cè)試清楚地說明，使用高氮不銹鋼作為熱浸涂裝置組件，性能得到增強(qiáng)，但尚不能確定這些性能的提高是通過何種機(jī)理獲得的。然而，盡管不能將發(fā)明與理論相結(jié)合，但本發(fā)明人認(rèn)為有助于提高性能的一個(gè)因素是高氮不銹鋼微觀結(jié)構(gòu)中的氮能充分自由地移動(dòng)，因此氮能移動(dòng)到表面，在該處它能夠與鋁反應(yīng)形成氮化鋁外層。另一個(gè)有助于提高性能的機(jī)理是氮限制了α-相沉淀物的生長(zhǎng)。奧氏體不銹鋼如316L中α-相沉淀的基本成因與微觀結(jié)構(gòu)中存在少量的δ鐵素體相(δ-ferrite phase)有關(guān)。在操作浴溫度下長(zhǎng)時(shí)間暴露之后，316L中δ鐵素體相的存在促進(jìn)了316L微觀結(jié)構(gòu)中α-相的沉淀。氮是奧氏體穩(wěn)定劑，因此加入氮作為合金添加劑顯著地降低了不銹鋼中δ鐵素體的水平。另外，提高合金中的氮含量增強(qiáng)了合金對(duì)局部腐蝕如點(diǎn)蝕或晶粒間腐蝕的抵抗力。
盡管使用了316LN不銹鋼，但認(rèn)為市場(chǎng)上可購得的鋼的其它成分也可能提供改進(jìn)的性能。下表列出了其它可購買的不銹鋼的成分，這些不銹鋼含有大體上均勻地分布在其微觀結(jié)構(gòu)中的數(shù)量可觀的氮，氮含量水平等于或高于316LN，也可以考慮將它們應(yīng)用到本發(fā)明的裝置中。

因此，本發(fā)明提供了熱浸涂裝置的組件，該組件通過使用高氮不銹鋼而具有增強(qiáng)的耐腐蝕性。同時(shí)，本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以避免單獨(dú)預(yù)處理如單獨(dú)的氮化處理的要求，在需要時(shí)，本發(fā)明以一種形式與這些處理相結(jié)合也是可取的。例如，可以使用這樣的方案提供與組件的外表面相鄰的氮化層，以保證在組件浸入熔融浴中時(shí)形成氮化鋁外層。在此應(yīng)用中，氮化鋁層比較容易消除金屬間化合物的表面堆積。不銹鋼微觀結(jié)構(gòu)中的氮能防止α-相沉淀物的生長(zhǎng)，并且還為外層提供了氮，因此如果損壞了，氮化鋁還能夠再生。
本發(fā)明的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，與由常規(guī)的、在其未處理的成分中缺氮的鋼制成的氮化輥相比，可以實(shí)現(xiàn)相當(dāng)多的輥的清理。這是因?yàn)楝F(xiàn)有技術(shù)的輥極少進(jìn)行清理，這導(dǎo)致其氮化層完全被除去，需要通過另外的氮化操作重建該層。
在本發(fā)明的前述描述和下面的權(quán)利要求書中，除了上下文以明確的語言或必要的暗示要求其它情況之外，詞“包含”或其變形如“包括”或“含有”作為是包含的意思使用，即明確所述特征的存在，但不排除在本發(fā)明各種具體實(shí)施方案中存在或者加入其它特征。
在不背離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)或范圍下，可以對(duì)前述部分進(jìn)行變動(dòng)和/或修改。
權(quán)利要求
1.一種用于涂布鋼帶的熱浸涂裝置，其中將鋼帶浸入到含有鋁的涂層合金浴中，該裝置包括至少一個(gè)在使用時(shí)有表面與浴接觸的組件，其中組件由不銹鋼制成，該不銹鋼含有大體上均勻地分布在其微觀結(jié)構(gòu)中的數(shù)量可觀的氮。
2.權(quán)利要求1的熱浸涂裝置，其中不銹鋼包含0.10wt％以上的氮。
3.權(quán)利要求1或2的熱浸涂裝置，其中組件是其下通過金屬帶的導(dǎo)輥。
4.一種用于涂布鋼帶的熱浸涂裝置，其中將鋼帶浸入到含有鋁的涂層合金浴中，該裝置包含至少一個(gè)在使用時(shí)有表面與浴接觸的組件，其中組件包含至少一個(gè)由不銹鋼制成的層，該不銹鋼含有均勻地分布在其微觀結(jié)構(gòu)中的數(shù)量可觀的氮。
5.權(quán)利要求4的熱浸涂裝置，其中不銹鋼包含0.10wt％以上的氮。
6.權(quán)利要求4或5的熱浸涂裝置，其中組件包含另外的層，且其中含氮的不銹鋼層置于表面與該另外的層之間。
7.權(quán)利要求3的熱浸涂裝置，其中所述另外的層由不銹鋼制成。
8.任何前述權(quán)利要求的熱浸涂裝置的組件，該組件在使用時(shí)有表面與浴接觸，并且至少部分由不銹鋼制成，該不銹鋼包含大體上均勻地分布在其微觀結(jié)構(gòu)中的數(shù)量可觀的氮。
9.一種熱浸涂裝置組件的形成方法，該熱浸涂裝置將片狀金屬帶浸入含有鋁的涂層合金浴中，其中該組件至少部分由含有數(shù)量可觀的氮的不銹鋼制成，氮在不銹鋼處于熔融態(tài)時(shí)溶解在其中，以便充分地分布在其微觀結(jié)構(gòu)中。
10.一種涂布鋼帶的方法，其中將鋼帶浸入含有鋁的涂層合金浴中，該方法包括將鋼帶通過浸入在浴中的組件的步驟，其中所述組件由不銹鋼制成，該不銹鋼含有大體上均勻地分布在其微觀結(jié)構(gòu)中的數(shù)量可觀的氮。
全文摘要
在Al－Zn合金浴(12)中用于涂布鋼帶(100)的熱浸涂裝置(10)，包含由不銹鋼制成的組件(如導(dǎo)輥(14))，該不銹鋼含有大體上均勻地分布在其微觀結(jié)構(gòu)中的數(shù)量可觀的氮。氮作為合金添加劑加入到不銹鋼中并提高了鋼的耐腐蝕性，而且在組件長(zhǎng)時(shí)間浸入金屬浴中時(shí)使組件的點(diǎn)蝕及變薄最小化。
文檔編號(hào)C23C2/12GK1694974SQ200380100799
公開日2005年11月9日 申請(qǐng)日期2003年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月8日
發(fā)明者格雷格·哈里斯, 尼加·塞塔格夫, 戴維·威利斯 申請(qǐng)人:布盧斯科普鋼鐵有限公司